聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)在長江河道水文測驗中的應用推廣

摘要：ADCP在長江河道工程及非工程水文測驗中的使用日益頻繁，測驗技術日趨成熟，資料的處理技術上也見仁見智。本文闡述了ADCP使用中遇到的一些技術問題及處理方法，內容包括外接羅經的使用、外接GPS的使用、數據處理技術等。

關鍵詞： ADCP水文測驗外部羅經數據處理流速流向計算

中圖分類號：TV2文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)02(c)-0000-00

1特點介紹

船用多功能聲學多普勤流速剖面儀（簡稱多功能ADCP或MADCP）主要功能是測量三維流場剖面，同時還兼有測量懸浮泥沙濃度的功能，主要應用領域是海洋監測，環境保護，海洋開發和航道建設等方面。 ADCP被公認是當今最主要的測流手段。多功能ADCP采用專用學多普勤原理，用聲波遙測水流的速度，對流場不產生干擾，而且能夠在航行過程中測量流速剖面，可快速地獲得一個水域的流場斷面。與常規的單點式海流計相比，具有測量精度高，快速，高效，省時省力等優點。多功能ADCP采用了寬帶和窄帶兩種測流技術，能適應各種復雜的流場。多功能ADCP能夠在測量流量速剖面的同時測量懸浮物濃度剖面，是研究泥沙遷移規律，計算輸沙量的十分有效的工具。在國際上未見有相似器的報道，具有獨創性。多功能ADCP的操作軟件是完全中文界面的，更加適合中國用戶，運行于視窗環境，界面友好，使用方便。

經長期的比測，積累了大量的經驗。在此基礎上，結合我省十三個河段近兩年的水文測驗以及過去的資料分析，該設備不但具有能直接測出斷面流速，具且有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。

2 存在問題

經過實驗、咨詢發現ADCP因其受含沙量、河床流沙和船體等影響較大，使ADCP在一些條件下的使用受到制約，需外接GPS和磁羅經，才完全能夠在實際生產中應用。

儀器商提供的WinRiver軟件可以進行數據處理，但要滿足一些應用的要求，該軟件還是存在不足，針對這個問題開發一套數據后處理軟件。

3 技術實現

3.1 外部羅經與GPS的使用

在外部磁場干擾下，用外接羅經測定船向時，羅經的安裝與標定直接影響測驗的精度。

用外接羅經時，其標定分兩步走。第一步是外部羅經自身的標定，其目的是讓外部羅經記錄測量環境的磁參數，即適應環境；第二步是外部羅經與ADCP相對方向的確定，即ADCP正向與羅經正向的差角(當使用ADCP內部羅經時只使用WinRiver軟件中的配合進行一次標定即可。

其實，在WinRiver軟件中，將羅經角度、羅經偏移與磁偏角之和用于儀器坐標到船系坐標或地球坐標的轉換，用上述方法時，是否測量磁偏角已無多大意義。而且在WinRiver軟件中回放時，當采用底跟蹤（Btm）方式時，羅經偏移、磁偏角或二者之和僅影響水流方向而不影響流量；當采用GGA方式時，羅經偏移、磁偏角主或二者之和不僅影響水流方向還要影響流量。所以如果測量結果中住返水流方向值總是相差較大（大于5°），多半是由于羅經安裝或標定不當引起。

3.2 數據處理技術

ADCP流量測驗的資料，流量、面積、河寬、斷面平均流速流向、斷面平均水深、斷面最大流速、最大水深數據均可從WinRiver回放軟件中直接得出。垂線流速流向數據，可在回放界面中人工摘取，處理時一般用剖面流速代替，產生的差異較小，但對多個剖面平均處理時，WinRiver軟件在平均位置及平均水深處理上不太令人滿意。而且，當數據量較大時，人工挑選工作量大且極為不便，需通過編制相應的軟件進行提取和計算處理。在ADCP數據后處理的算法中，根據資料提交的要求不同，應采取不同的算法。后處理的數據來源為WinRiver回放軟件所產生的ASCII碼文本文件。

在垂線流速的提交方式上，有的要求提交ADCP實測水層單元的流速，有的要求提交垂線上相對水深的資料，涉及到的算法也不盡相同。

3.2.1 垂線位置和水深的確定

ADCP原始數據中記錄的位置實際為該剖面的平均位置，一個剖面的跨越寬度一般為1~5m，在提取數據時垂線水深一般用剖面水深代替，垂線的位置數據計算，將回放輸出的文本文件中的經緯度數據按高斯正算的方法計算垂線平面坐標。

若使用平均處理策略，則對水深也進行平均處理，起點距的算法有平均算法和中心線法等，平均計算時又有算術平均和加權平均算法。

3.2.2垂線流速分布函數的確定

WinRiver軟件支持的流速插補方法有冪指函數、常數、三次平滑等，缺省為冪指函數。雖然冪指函數與我國常用的對數分布函數有一定的差別，但軟件中僅將此函數用于頂層和底層流速的插補計算，不致產生較大差異，在WinRiver軟件中調整冪指數b的值，對流量影響甚微。

3.2.3 有效數據的判別

在回放輸出的ASCII文本文件中，各水層單元的數據包括當前水層單元的深度、流速值、流向、東向流速、北向流速、垂向流速、誤差流速、波束1反向散射、波束2反向散射、波束3反向散射、波束4反向散射、好的百分數、流量共13個數據。其中流速流向的壞值表示為-32768，反向散射的壞值表示為255，好的面分數壞值為0，流量壞值表示為2147483647。

在提取流速流向資料時，面臨三種數據有效性的判別方法：以單元流量有效為判別條件、以單元流速有效為判別條件或以好的百分數為判別條件，在應用時根據流速分布情況選取其中一種。

3.2.4 流速流向計算

當垂線流速資料按ADCP實測水層單元深度提交時，可直接從回放后的輸出文件中選取，計算的步驟是先分別計算東向、北向的垂線流速分量的分布數據，再用矢量合成的方法計算垂線流速、流向。在計算各方向的分量時，垂線平均流速的分量按式4.1計算，頂層流速的分量按式4.2計算，頂層流速分量的水深為第一個有效單元以上部分的中心深度，底層流速分量按式4.3計算，底層流速分量的水深為最后一個有效單元以下部分的中心深度，垂線上各水層單元的水深與分量的水深一致，各水層單元的流速為東向分量與北向分量的方和根，按式4.4計算，流向方位角為東向分量與北向分量比值的反正切值，按式4.5計算。垂線平均流速流向用垂線平均流速分量參照式4.6和式4.7進行計算。

當垂線資料按傳統的五點法或六點法資料提交時，則需將水層單元流速通過一定的方法轉換為各相對水深(水面、0.2、0.4、0.6、0.8、河底等位置)處的流速，計算步驟上仍然是先算分量，再合成，分量計算的常用做法是：當測點絕對水深在實測的有效水層范圍內時，用直線內插計算，當測點絕對水深位置在實測有效水層之外時，可參照頂層及底層流速的算法推求，也可用式4.6(Vmax采用中間實測層的最大流速分量代替)計算，有時也直接將實測的最上層單元流速作為水面流速，將實測的最下層單元流速作為河底流速。水面點的計算水深一般采用0.2-0.5m，河底點的計算水深一般采用河底以0.3-0.5m。分量垂線平均流速一般參照《河流流量測驗規范》中的公式進行計算。

4 后處理軟件簡介

ADCP野外測量快捷方便，WinRiver軟件具備實用的回放功能，儀器商還提供了一系列的工具軟件進行數據的處理。雖然如此，要滿足一些應用的要求，這些軟件還是不夠的，還需自行開發一些數據后處理軟件。我院經過一段時期的應用和實驗，針對WinRiver軟件在ADCP測驗數據處理上的不足，自行開發的ADCP測驗數據后處理軟件(見圖2)，該軟件是基于VB平臺下開發，為了提高數據的益存性于可比性，故采用數據庫形式處理和存儲數據，具備斷面數據提取、流量計算、流速流向提取、輸沙率計算、泥沙分析數據處理等功能，為了保證同一份資料中的流量與流速數據的一致性，該軟件選取與WinRiver軟件算法一致的策略。

(圖2)ADCP測驗數據后處理軟件操作界面

應用于生產實踐中，彌補WinRiver軟件數據處理上的欠缺之處，使ADCP更加適合長江河道水文測驗的各項要求。

5 結語

隨著ADCP這項新技術在水利行業的廣泛應用，我們可以切實體會到它給我們的工作帶了諸多便捷和高效之處，但在具體應用時就會發現一些問題，通過分析、實驗是可以找到行之有效的解決辦法的，將理論上的研究與實際應用相結合，才能使ADCP的應用技術不斷發展，找到傳統與現代測驗方法的銜接點，這樣ADCP就能夠更好的應用于長江河道水文測驗工作中。

參考文獻

[1] 田淳、劉少華，聲學多普勒測流原理及其應用，黃河水利出版社，2003.

[2] 中華人民共和國國家標準 《河流流量測驗規范》GB50179-93

作者簡介：孔汪洋 男 助理工程師 從事測繪工作